失智癥照護(hù)服務(wù)智能化輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魯衛(wèi)華

（中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100142）

失智老人差異化的身體機(jī)能和精神行為癥狀，以及養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中不夠友好和適老化的照護(hù)空間環(huán)境，是困擾養(yǎng)老機(jī)構(gòu)失智癥照護(hù)服務(wù)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵問(wèn)題，目前市場(chǎng)尚缺乏針對(duì)失智癥長(zhǎng)者的集個(gè)性化照護(hù)與空間環(huán)境改善為一體的綜合性智能化照護(hù)服務(wù)系統(tǒng)。失智老人由于缺乏適合于自身的個(gè)性化照護(hù)服務(wù)或處于不安全、不適老、不友好的環(huán)境中而導(dǎo)致病程持續(xù)惡化、危險(xiǎn)事件頻發(fā)，因此打造智能化、個(gè)性化、可視化的機(jī)構(gòu)失智長(zhǎng)者照護(hù)服務(wù)與專(zhuān)業(yè)化的照護(hù)空間環(huán)境成為行業(yè)的研究趨勢(shì)。失智癥照護(hù)服務(wù)智能化輔助系統(tǒng)，采用基于多模態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)行為與體征數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過(guò)自主創(chuàng)新的人工智能算法，自動(dòng)識(shí)別失智長(zhǎng)者的異常精神行為癥狀，并結(jié)合體征信息給出個(gè)性化的照護(hù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判；自動(dòng)分析照護(hù)空間環(huán)境使用情況。本系統(tǒng)通過(guò)智能化技術(shù)手段，有效提升了失智長(zhǎng)者的生活品質(zhì)和養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的照護(hù)服務(wù)質(zhì)量，改善了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的照護(hù)空間環(huán)境，為養(yǎng)老機(jī)構(gòu)提供了針對(duì)失智長(zhǎng)者的綜合技術(shù)服務(wù)解決方案。

1 系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡(jiǎn)稱(chēng)IoT）是指通過(guò)各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器和激光掃描器等裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物和位置等各種需要的信息，通過(guò)各類(lèi)可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]。本系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集失智長(zhǎng)者的位置信息、生理信息和長(zhǎng)者所處的空間環(huán)境信息，采集的數(shù)據(jù)主要圍繞失智癥照護(hù)所關(guān)注的生理及環(huán)境信息進(jìn)行采集，其中，位置信息包括：實(shí)時(shí)位置、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)加速度；生理信息包括：靜息心率、血壓、血糖、血氧、BMI、睡眠總時(shí)長(zhǎng)、非快速眼動(dòng)睡眠周期、快速眼動(dòng)睡眠周期、睡眠呼吸暫停時(shí)間、睡眠中身體顫抖時(shí)間、上床時(shí)間和離床時(shí)間；長(zhǎng)者所處空間環(huán)境信息包括：光照度、溫度、濕度、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度、PM2.5濃度和甲醛濃度。

1.2 基于室內(nèi)定位的行為識(shí)別技術(shù)

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)位置定位，主要采用無(wú)線(xiàn)通信、基站定位、慣導(dǎo)定位和動(dòng)作捕捉等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控[2]。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與普及，室內(nèi)定位技術(shù)也得到了較為快速的發(fā)展。目前，常用的室內(nèi)定位技術(shù)有：紅外線(xiàn)、超聲波、射頻、藍(lán)牙、WIFI 和UWB 等[3]。總的來(lái)說(shuō)，各定位技術(shù)都有自己的長(zhǎng)處也有自己的不足，UWB 超寬帶定位性能最優(yōu)，但成本較高；WIFI 定位有著巨量的用戶(hù)數(shù)據(jù)源卻易受干擾；射頻定位擁有瞬時(shí)讀取雙向交互能力但傳輸距離較短等。表1 對(duì)以上幾種定位技術(shù)的優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比較。基于上述技術(shù)參數(shù)對(duì)比，在選擇定位技術(shù)類(lèi)型時(shí)，主要參照定位精度、抗干擾能力、穿透力、功耗、傳輸距離、安全性、可靠性和成本進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最終本系統(tǒng)選擇超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)（UWB）。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比分析 單位：m

本項(xiàng)目采用超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)，采集失智長(zhǎng)者的軌跡數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、軌跡平滑等預(yù)處理，然后進(jìn)行軌跡劃分與特征提取，構(gòu)造訓(xùn)練樣本集與測(cè)試樣本集。根據(jù)失智癥異常行為特點(diǎn)，利用LSTM 與1D-CNN 等模型算法構(gòu)建軌跡-行為分類(lèi)模型，如圖1 所示。可有效識(shí)別的失智癥異常行為包括：徘徊、夜間游走、駐留、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、聚集、跟隨和進(jìn)入他人房間，準(zhǔn)確率、精度及召回率均超過(guò)90%以上，可有效監(jiān)控、判別失智長(zhǎng)者異常行為的發(fā)生，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病程進(jìn)展，為更好地制定照護(hù)方案提供了量化依據(jù)。

圖1 基于室內(nèi)定位技術(shù)的行為分析流程圖

1.3 基于多模態(tài)融合感知的照護(hù)空間環(huán)境使用分析技術(shù)

多模態(tài)融合也稱(chēng)多源信息融合（Multi-source Information Fusion），或多傳感器融合（Multi-sensor Fusion）。多模態(tài)融合是指綜合來(lái)自?xún)蓚€(gè)或多個(gè)模態(tài)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程。多模態(tài)融合感知技術(shù)綜合利用不同傳感器獲取的信息，避免了單個(gè)傳感器的感知局限性和不確定性，形成了對(duì)環(huán)境或目標(biāo)更全面的感知和識(shí)別，提高了系統(tǒng)的外部感知能力，是未來(lái)智能感知及交互領(lǐng)域的重要研究方向。本系統(tǒng)通過(guò)位置傳感、生理信號(hào)傳感、光照度傳感、溫濕度傳感和有害氣體傳感等多模態(tài)的感知技術(shù)，依據(jù)失智長(zhǎng)者在照護(hù)空間環(huán)境內(nèi)活動(dòng)的安全性與失智核心癥狀的變化情況，智能化分析照護(hù)空間環(huán)境的使用及適用程度，為空間環(huán)境的改善與后續(xù)設(shè)計(jì)的提升提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐與客觀依據(jù)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)失智癥照護(hù)服務(wù)智能化輔助系統(tǒng)以信息化、平臺(tái)化、智慧化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，依據(jù)高開(kāi)放、高復(fù)用、高可擴(kuò)展、高安全、高可管理和高可運(yùn)營(yíng)的原則進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由終端展示層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)采集層、機(jī)構(gòu)網(wǎng)關(guān)層4 個(gè)層級(jí)構(gòu)成，每一層均可結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行裝配與擴(kuò)展。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

終端展示層支持WEB 端、智能手機(jī)、PAD 和智能一體機(jī)等不同的客戶(hù)端接入系統(tǒng)，包括但不限于基于JAVA/.NET/PHP/Python/Ruby 等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言研發(fā)的本地客戶(hù)端、Web 客戶(hù)端和移動(dòng)客戶(hù)端等。業(yè)務(wù)處理層集成了公共平臺(tái)的主要業(yè)務(wù)，包括：基本信息管理、權(quán)限管理、長(zhǎng)者監(jiān)護(hù)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)。通過(guò)包的形式，對(duì)內(nèi)對(duì)外提供統(tǒng)一的服務(wù)，保證了平臺(tái)具有高開(kāi)放性、高可用性和高擴(kuò)展性。每一個(gè)包均能夠通過(guò)迭代開(kāi)發(fā)的模式，不斷完善相應(yīng)模塊的服務(wù)能力。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)收集所有養(yǎng)老機(jī)構(gòu)網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，主要包括：體征數(shù)據(jù)信息、環(huán)境信息和睡眠數(shù)據(jù)信息等。解算服務(wù)層負(fù)責(zé)收集當(dāng)前當(dāng)前機(jī)構(gòu)中位置信息設(shè)備、體征數(shù)據(jù)設(shè)備、環(huán)境信息設(shè)備和睡眠數(shù)據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

2.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照分層設(shè)計(jì)的原則，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示，包括接入層、交互層、應(yīng)用層、存儲(chǔ)層、采集層、解算層、設(shè)備層和通用層8 個(gè)不同層次，由這些層次協(xié)同工作，保證平臺(tái)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。其中，接入層支持web、安卓、IOS 和Winform；交互層支持Restful API 接口和Web Socket 接口兩種協(xié)議；應(yīng)用層主要完成業(yè)務(wù)處理、權(quán)限管理、資源管理和數(shù)據(jù)分析引擎等核心業(yè)務(wù)；存儲(chǔ)層支持Redis、MySQL、文件系統(tǒng)FastDFS 和日志文件；采集層主要包括MQTT 服務(wù)器和卡夫卡隊(duì)列，其中卡夫卡隊(duì)列確保了數(shù)據(jù)可靠性；解算層設(shè)備支持多種設(shè)備的通信協(xié)議，通過(guò)MQTT 客戶(hù)端傳輸?shù)讲杉脚_(tái)，同時(shí)具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)同步功能；設(shè)備層包括位置信息設(shè)備、體征數(shù)據(jù)設(shè)備、環(huán)境信息設(shè)備和睡眠數(shù)據(jù)設(shè)備等；通用層包括前端組件、權(quán)限控制、日志記錄、數(shù)據(jù)字典和文件上傳。同時(shí)，各層的實(shí)現(xiàn)參照了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全保障體系。

圖3 技術(shù)架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)架構(gòu)，前端開(kāi)發(fā)通過(guò)Ant VUE、Hbuilder 進(jìn)行；后端開(kāi)發(fā)主要涉及的技術(shù)包括：Spring、Spring boot、Spring security、Mybatis Plus、Redis、MySQL、Jwt、Apache common 和Guava 等工具類(lèi)。采集端開(kāi)發(fā)主要涉及的技術(shù)包括：MQTT、Kafka、Netty 和各種設(shè)備協(xié)議。系統(tǒng)中“歷史軌跡”功能界面如圖4 所示。系統(tǒng)目前已在北京市多家養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的失智照護(hù)單元示范應(yīng)用，通過(guò)智能化手段有效提高了失智照護(hù)服務(wù)的質(zhì)量和效率，改善了失智長(zhǎng)者的生活質(zhì)量。

圖4 系統(tǒng)界面

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，隨著全球老齡化的加劇，失智癥的發(fā)病率不斷提高，如何照護(hù)好失智癥長(zhǎng)者成為社會(huì)廣泛關(guān)注的問(wèn)題。與此同時(shí)，智慧養(yǎng)老的技術(shù)也在不斷地成熟和演進(jìn)，如何利用智慧養(yǎng)老的相關(guān)技術(shù)更好地服務(wù)于失智照護(hù)也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。本系統(tǒng)以提升失智長(zhǎng)者的生活質(zhì)量、提高失智照護(hù)服務(wù)的質(zhì)量與效率為目標(biāo)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，從活動(dòng)監(jiān)測(cè)、生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)維度對(duì)長(zhǎng)者進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與智能化分析，長(zhǎng)者的病程變化可通過(guò)量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷，長(zhǎng)者所處的空間環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與智能分析，本系統(tǒng)在失智癥智能化照護(hù)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。